Plateforme de fabrication additive et bio-fabrication

« La colonne vertébrale de la plateforme, c’est de jouer avec des trajectoires dans l’espace », Jean-Yves Hascoët, professeur des universités et responsable de la Plateforme de fabrication additive et bio-fabrication et pilote du volet Fabrication additive au sein du Joint Laboratory of Marine Technology.

La plateforme réunit plusieurs procédés de fabrication : fabrication additive, usinage, formage, soudage, bioprinting.
Les étudiants du Master SMA et de l’option Ingénierie de produits sont amenés à utiliser les moyens de la plateforme. Tous les TP sont issus de projets industriels simplifiés.

Cellule robotisée de fabrication additive

La cellule accueille un robot de grande capacité, qui permet de porter à bout de bras 500 kg à 3 mètres. Une machine hors norme donc, qui permet la fabrication hybride de pièces de grandes dimensions. Hybride, car elle peut associer plusieurs procédés : à base de fil (aluminium, titane, acier…) que l’on fond avec un arc électrique (WAM) ou à base de poudre (LMD). Deux têtes permettent de déposer la poudre, l’une avec une épaisseur de 2,5 mm, l’autre de 4 mm. La machine peut également faire du parachèvement (usinage et polissage) des pièces dont l’état de surface peut ne pas être satisfaisant, ce qui simplifie le process.
 

Projets : Joint laboratory avec Naval Group (ex DCNS) ; aéronautique, particulièrement pour des pièces de structure avion Stelia - financement DGA DGAC (Direction générale de l’aviation civile)
 

Fabrication additive par induction

Cette machine prototype de fabrication additive est développée en collaboration entre un industriel et Centrale Nantes, utilise une autre source d’énergie que l’arc électrique ou le laser : l’induction. Il s’agit de faire passer du courant dans une bobine, ce qui crée un champ magnétique. Le fil passe alors dans la boucle de l’inducteur. On dépose le fil en jouant sur la trajectoire. L’intérêt consiste à réduire les coûts en n’ayant plus besoin d’utiliser de générateur, équipement qui coûte plusieurs dizaines de milliers d’euros. Des brevets ont été déposés et une thèse est en cours sur cette nouvelle technologie, les premières publications vont sortir prochainement.
 

Fabrication additive hybride

La technologie de cette machine, objet d’un brevet international validé en 2011, consiste à pouvoir basculer d’un procédé de fabrication à l’autre, à savoir de passer selon le besoin de l’ajout de matière (fabrication additive) à la soustraction de matière (usinage). Cette machine permet également de mélanger les poudres durant la fabrication pour créer ce qu’on appelle le gradient matériaux. Certaines poudres ont en effet des caractéristiques mécaniques, d’autres vont davantage répondre à des caractéristiques liées à la tribologie (science du contact). Pouvoir les mélanger précisément au fur et à mesure de la fabrication évite l’apparition d’un front de solidification sur la pièce et favorise donc l’interaction et la liaison entre les deux matériaux, ce qui rend la pièce plus résistante.

Projets : joint laboratory avec DCNS, aéronautique, projet international avec le constructeur aéronautique canadien Pratt & Whitney, l’université McGill au Canada et l’université de Sheffield au Royaume-Uni, pour la fabrication de pièces de petite dimension en poudre de titane.

Fabrication additive laser sur lit de poudre

La machine de fabrication additive laser sur lit de poudre, acquise par Centrale Nantes en juillet 2021, est utilisée pour fabriquer des pièces pour différents secteurs : aéronautique, spatial, industrie navale, automobile, ferroviaire mais aussi pour le domaine médical. Elle permet de créer des pièces plus fines à la fois en dimension mais aussi en termes d’état de surface, offrant la possibilité de travailler à l’échelle du micron.

La machine de fabrication additive laser sur lit de poudre utilise des poudres qui sont mises dans un bac, un laser vient ensuite fondre les poudres qui sont nécessaires à la fabrication de la pièce et celles qui ne sont pas fondues sont mises de côté puis réutilisées.

Cet équipement a été financé par l’Europe via le fond FEDER, par Centrale Nantes, et par les projets de recherche du groupe de recherche RMP de l'Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM).
 

• Pour en savoir plus sur cet équipement

Machine à structure parallèle

Cette machine prototype met en mouvement une masse de 150 kg, au lieu de plusieurs tonnes sur d’autres machines, en jouant avec les cinq axes de la chaîne cinématique. Elle sert à l’usinage, formage, soudage. Cette machine sera par exemple utile à un industriel souhaitant connaître les efforts et les puissances nécessaires pour usiner une pièce ou à un autre souhaitant tester et comparer des outils, connaître leur durée de vie, savoir si par exemple l’outil en question coupe bien. Autre question, quelle stratégie choisir pour fabriquer une pièce le plus rapidement possible tout en respectant le cahier des charges ? Selon la pièce, la machine offre plusieurs possibilités.
 

Robot de soudure « l'araignée soudeuse »

Le projet SHIPWELD rassemblant Centrale Nantes, STX, Tecnalia Espagne, l’Institut de soudure au Portugal et les Universités de Vigo et de Cardiff a vu naître un chariot de soudage automatique de coques de navires. Les bateaux de grandes dimensions étant construits par tronçons, d’immenses et couteux échafaudages sont nécessaires pour les souder. Afin d’améliorer la sécurité du personnel et de limiter les coûts, est venue l’idée d’un système autonome montant et parcourant – tel une une araignée – la coque des navires pour la souder. Plus besoin d’échafaudage, le technicien peut rester au pied du bateau et suivre sur écran, par retour de caméras, l’avancée du chariot et intervenir à distance en cas de besoin. L’ensemble du chariot conception méca, électronique, informatique a été développé à Centrale Nantes. Un second projet a vu le jour sous le nom de « Charman » via L’IRT Jules Verne pour assurer un transfert de technologie (groupe projet STX, DCNS, Sevisoud, IRT JV).
 

Banc de test de commandes numériques

Ce centre d’usinage permet de faire du formage incrémental, c’est-à-dire de former une pièce sans outil spécifique. Contournant les inconvénients du formage par emboutissage (mises au point nombreuses, résistance des matériaux, outillage à refaire si pièce non conforme), le formage incrémental consiste à prendre une tôle sur le bord extérieur et avec un doigt métallique jouer sur une trajectoire sur la pièce pour la déformer. Procédé plus long que l’emboutissage, il permet cependant une plus grande souplesse car il suffit de modifier la programmation de la CAO pour changer une pièce.
Cette machine sert aussi à étudier les commandes numériques. Plusieurs sont disponibles sur la plateforme - la NUM (française), la FIDIA (italienne), la Siemens (allemande) – mais fonctionnent comme des boîtes noires. C’est pourquoi Centrale Nantes a développé une commande numérique « ouverte », nommée « Open CN (Commande Numérique) », pour déterminer soi-même la partie algorithmique et permettre une modification en temps réel de la fabrication. Les industriels clients de la plateforme ont donc le choix entre ces différentes commandes numériques pour leurs projets et/ou tests.

Afin de répondre au mieux aux attentes des industriels, Centrale Nantes a également développé un plateau logiciel  permettant le transfert de données : le protocole STEP – NC. Utilisé sur toutes les machines de la plateforme, il emploie le même langage de programmation pour la CAO, la trajectoire et les machines. Il évite donc de devoir reprogrammer les données en cas de changement de machine et de recalculer automatiquement les trajectoires souhaitées.

Arrivée depuis une vingtaine d'années à Centrale Nantes, la fabrication additive se tourne aujourd’hui aussi vers le médical avec le bioprinting. Signifiant littéralement « impression de vivant », il s'agit d'une technologie qui consiste à imprimer des tissus vivants par des approches d'impression 3D.
 L'équipe de Centrale Nantes, portée par Jean-Yves Hascoët, travaille en étroite collaboration avec l’équipe du Pr Gilles Blancho, directeur de l'Itun, l'Institut de Transplantation -Urologie - Néphrologie du CHU de Nantes et de l'IHU CESTI ou encore l’équipe RMES. 
Leurs travaux de recherche communs les ont menés à un constat : la nécessité de l'acquisition d'une machine de « dépôt de cellules ». Il en existe quelques-unes dans le monde, mais elles n’avaient pas le cahier des charges souhaité.

A cœur vaillant, rien d'impossible, Centrale Nantes a conçu la machine et sous-traité sa réalisation courant 2016. Cette machine de précision est aujourd’hui intégrée dans un H-box, boîtier utilisé en biologie, et installée dans une salle grise spécifique. Il s’agit d’une machine trois axes dotée de seringues. L’ingénierie et la biologie se rencontrent alors pour déterminer quel diamètre d’aiguille utiliser, quelle pression exercer ou encore quel degré de viscosité atteindre. Après ces essais, l’équipe maîtrise la matière et le procédé. Il s’agit à terme d’investiguer le champ de la greffe et de la transplantation d’organes. Pour éviter le rejet du patient, l’idée est d’être capable à terme de (re)construire un organe ou des éléments d’organe à partir des cellules souches du patient lui-même. Prochain chantier de l’équipe : parvenir à vasculariser la matière créée.

Zone de contrôle mesure

Scanner avec laser de précision (au micron près) : scanne une pièce existante pour récupérer la « peau » de la pièce, contrôle les pièces réalisées en fabrication additive.
Microscope électronique à balayage : grossissement 60 000, permet de comprendre le comportement des poudres, la structure des pièces fabriquées. Miscroscope 3D : permet de récupérer la topologie de la surface.

Visite vidéo de la plateforme de fabrication additive